Способ получения ванадиймагниевого катализатора полимеризации этилена и сополимеризации этилена с альфа-олефинами

Изобретение относится к области катализа. Описан способ получения катализатора для полимеризации этилена и сополимеризации этилена с альфа-олефинами, содержащего соединение ванадия на магнийсодержащем носителе, который получают взаимодействием раствора магнийорганического соединения состава Mg(C₆H₅)₂nMgCl₂mR₂O, где n=0.37-0.7, m=2, R₂O - простой эфир с R=i-Am, n-Bu с хлорирующим агентом фенилтрихлорметаном PhCCl₃ при мольном отношении PhCCl₃/MgR₂≥1.0, с последующей обработкой носителя алкилалюминийхлоридом и нанесением соединения ванадия, причем в магнийорганическое соединение предварительно вводят алкилароматический эфир при температуре 20-40°С при мольном отношении алкилароматический эфир/Mg=0.05-0.2. Технически результат - полученный катализатор позволяет получать полимеры с широким молекулярно-массовым распределением, повышенной насыпной плотностью и высоким выходом. 1 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к способу получения катализаторов полимеризации этилена и сополимеризации этилена с α-олефинами, более конкретно, к нанесенным катализаторам циглеровского типа, содержащим в своем составе соединение переходного металла на магнийсодержащем носителе.

Известны различные методы приготовления нанесенных катализаторов циглеровского типа. При этом только некоторые из этих способов позволяют регулировать морфологию частиц носителя и соответственно катализатора (размер, форму и плотность частиц, распределение частиц по размерам). В случае суспензионной и газофазной полимеризации морфология частиц катализатора определяет морфологию образующегося на них частиц полимера. Получение порошка полимера с определенным средним размером частиц, с узким распределением частиц по размерам, с повышенной насыпной плотностью является важным условием для технологии процесса полимеризации, и для этого необходимо получать катализаторы, обладающих узким распределением частиц по размеру и улучшенной морфологией. При этом для различных технологий полимеризации и различных областей применения полимеров требуются катализаторы с различным средним размером частиц. Катализаторы с размером частиц 5-20 мкм используются в случае суспензионной полимеризации этилена. Катализаторы с размером частиц 25-50 мкм используются для газофазной полимеризации.

Катализатор с узким распределением частиц по размеру, содержащий в качестве носителя хлорид магния, может быть получен взаимодействием раствора соединения MgCl₂·3i-C₈H₁₇OH в углеводном разбавителе с TiCl₄ в присутствии электроно-донорного соединения (этилбензоат, этиланизат и другие) [JP 59-53511, B01J 31/32, 1986]. Катализатор, полученный таким способом, характеризуется размером частиц 5-15 мкм, обладает достаточно высокой активностью (до 35 кг/г ПЭ г Ti ч атм С₂Н₄) и позволяет получать порошок полиэтилена с узкой гранулометрией и высокой насыпной плотностью. Недостатком такого способа получения катализатора является применение низких температур (до -20°С), использование в качестве реакционной среды больших количеств жидкого TiCl₄, выделение при синтезе катализатора значительного количества хлористого водорода.

Известен способ получения нанесенного катализатора для полимеризации этилена и сополимеризации этилена с альфа-олефинами, содержащий соединение переходного металла (TiCl₄, VOCl₃, VCl₄) на носителе состава MgCl₂·mR₂O, путем нанесения соединения переходного металла на носитель[RU 2064836, B01J 31/38, 10.08.96]. При этом носитель получают взаимодействием магнийорганического соединения (МОС) состава Mg(C₆H₅)₂·nMgCl₂·mR₂O (n=0.37-0.7, m=2, R₂O- простой эфир с R=i-Am, n-Bu) с четыреххлористым углеродом. Катализатор, приготовленный этим методом, позволяет получать полимеры с узким регулируемым распределением частиц по размеру и повышенной насыпной плотностью при сохранении высокой активности в процессах суспензионной и газофазной полимеризации этилена и сополимеризации этилена с α-олефинами.

Основным недостатком этого метода является использование в качестве хлорирующего агента четыреххлористого углерода: реакция четыреххлористого углерода с магнийорганическим соединением протекает очень интенсивно, с большим выделением тепла и трудно контролируется, особенно при приготовлении катализатора в больших количествах.

Ближайшим решением поставленной в настоящей заявке задачи является способ получения катализатора, согласно которому нанесенный катализатор, содержащий тетрахлорид титана или тетрахлорид (окситрихлорид) ванадия на магнийсодержащем носителе, получают взаимодействием раствора магнийорганического соединения (МОС) состава MgPh₂·nMgCl₂·mR₂O, где: Ph=фенил, R₂O=простой эфир с R=бутил или i-амил, n=0.37-0.7, m=1-2. с фенилтрихлорметаном (PhCCl₃/Mg≥1 (мольн.)) с последующей обработкой полученного магнийсодержащего носителя соединением переходного металла. Этот метод позволяет синтезировать высокоактивные ванадиймагниевые катализаторы с регулируемым размером частиц в области от 40 до 7.5 мкм с узким распределением частиц по размеру (SPAN<0.9), позволяющие получать полиэтилен с широким молекулярно-массовым распределением (MMP) [WO 2005/097322, B01J 31/36, 2005.10.20].

Основными недостатками катализатора, приготовленного по вышеописанному способу, в суспензионном процессе при получении полиэтилена являются:

(1) Использование низких температур (менее 10°С) для получения катализаторов для суспензионной полимеризации этилена с размером частиц менее 10 мкм. что затрудняет контроль температуры, особенно при приготовлении катализатора в больших количествах.

(2) Катализаторы с крупным средним размером частиц, полученные при высоких температурах хлорирования (более 20°С), особенно ванадиймагниевые. имеют низкую активность при температурах полимеризации этилена менее 90°С.

(3) Полимеры, полученные с использованием катализаторов, приготовленных по вышеописанному методу, имеют насыпную плотность менее 350 г/л.

В основе заявляемого изобретения положена задача разработки способа получения ванадиймагниевых катализаторов для суспензионной полимеризации этилена и сополимеризации этилена с α-олефинами, позволяющего получать магнийхлоридсодержащий носитель с регулированным размером частиц в области 5-20 мкм хлорированием МОС (фенилмагнийхлорид) фенилтрихлорметаном (PhCCl₃) при температуре ≥20°С. При этом катализатор, приготовленный с использованием этого носителя, должен обеспечивать получение полимеров с широким молекулярно-массовым распределением (ИР^21.6/ИР⁵≥18), с повышенной насыпной плотностью (более 350 г/л) и высоким выходом (≥250 кг/г V) при узком распределении частиц по размеру в процессах суспензионной полимеризации этилена и сополимеризации этилена с α-олефинами при температурах полимеризации 70-90°С.

Эта задача решается тем, что в процессе получения магнийсодержащего носителя для этих катализаторов используют модифицирующую добавку алктароматический эфир (D) в количестве 0.05-0.2 моль/моль Mg, которую добавляют в МОС состава Mg(C₆H₅)₂ nMgCl₂ mR₂O (С₆Н₅-фенил, n=0.37-0.7, m=2. R₂O - простой эфир). Модифицированное магнийорганическое соединение хлорируют фенилтрихлорметаном при температуре ≥20°С PhCCl₃/MgR₂≥1.0 с последующей обработкой носителя алкилалюминийхлоридом и нанесением соединения ванадия.

Таким образом, основным отличительным признаком предлагаемого способа является использование алкилароматического эфира при мольном соотношении D/Mg=0.05-0.2 для модификации МОС состава Mg(C₆H₅)₂nMgCl₂ mR₂O при синтезе магнийсодержащего носителя хлорированием фенилтрихлорметаном C₆H₅CCl₃ при температурах 20-60°С.

Носитель, получаемый этим методом, имеет средний размер частиц в области от 5 до 20 мкм и узкое распределение частиц по размеру. Требуемый размер частиц носителя и, соответственно, катализатора в этой области определяется соотношением алкилароматического эфира/МОС и условиями проведения процесса взаимодействия МОС с C₆H₅CCl₃. Перед нанесением соединения переходного металла магнийсодержащий носитель обрабатывают хлорсодержащим алюминийорганическим соединением (например, ДЭАХ) для удаления с поверхности носителя побочных электронодонорных органических продуктов синтеза носителя. Катализатор получают последующей обработкой носителя раствором хлорида ванадия (VCl₄, VOCl₃) в углеводородном растворителе.

Предлагаемый способ обеспечивает получение высокоактивных ванадиймагниевых катализаторов для суспензионной полимеризации этилена со средним размером частиц 5-20 мкм при использовании для хлорирования МОС фенилтрихлорметаном технологичного диапазона температур (≥20°С).

При полимеризации этилена на этом катализаторе образуется полиэтилен с высокой насыпной плотностью (более 0.35 г/см) и узким распределением частиц по размеру. Активность полученных катализаторов достигает 250 кг ПЭ/г V. Полиэтилен, полученный на ванадиймагниевом катализаторе, синтезированном по предлагаемому способу, имеет широкое молекулярно-массовое распределение.

Катализаторы применяют для полимеризации этилена или сополимеризации этилена с α-олефинами в сочетании с сокатализатором - триалкилом алюминия (преимущественно, триизобутилалюминием или триэтилалюминием). Полимеризацию проводят в режиме суспензии при температурах 50-100°С в среде углеводородного растворителя (например, гексана, гептана) давлениях 2-40 атм. В качестве регулятора молекулярной массы полимера используют водород в количестве 5-50 об.%. При сополимеризации этилена с α-олефинами используют пропилен, бутен-1, гексен-1, 4-метил-пентен-1 и другие высшие α-олефины.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

(А). Приготовление раствора магнийорганического соединения (МОС).

В стеклянный реактор объемом 1 л, оборудованный мешалкой и термостатирующим устройством, загружают 29.2 г порошкообразного магния (1.2 моль) в 450 мл хлорбензола (4.4 моль), 203 мл дибутилового эфира (1.2 моль) и активирующий агент, представляющего собой раствор 0.05 г йода в 3 мл хлористого бутила. Реакцию проводят в атмосфере инертного газа (азот, аргон) при температуре от 80 до 100°С в течение 10 ч. По окончании реакции полученную реакционную смесь отстаивают и отделяют жидкую фазу от осадка. Жидкая фаза представляет собой раствор в хлорбензоле магнийорганического соединения состава MgPh₂·0.49MgCl₂·2(C₄H₉)₂O с концентрацией 1.0 моль Mg/л.

(Б). Синтез носителя.

200 мл полученного раствора МОС (0.2 моль Mg) загружают в реактор с мешалкой и при температуре 25°С в течение 15 мин. дозируют 0.01 моль этилбензоата (ЭБ) (1.1 мл ЭБ и 3 мл гептана), ЭБ/Mg=0.05 (мол.). Выдерживают смесь в течение 15 мин, затем дозируют в реактор раствор 26 мл (0.32 моль) фенилтрихлорметана (PhCCl₃) в 30 мл гептана в течение 35 мин (PhCCl₃/Mg=1.0 (мол)). Затем нагревают реакционную смесь до 60°С в течение 30 мин и выдерживают при этой температуре 1 ч. Удаляют маточный раствор и промывают образовавшийся осадок гептаном 4 раза по 250 мл при температуре 20°С. Получают 33 г порошкообразного магнийсодержащего носителя в виде суспензии в гептане.

После этого в реактор к суспензии носителя добавляют 204 мл раствора диэтилалюминий хлорида с концентрацией 1.6 моль/л при мольном отношении AlEt₂Cl/Mg=1.2 в течение 20 мин. при комнатной температуре и затем выдерживают реакционную смесь 1 ч при 45°С. После этого носитель промывают 5 раз по 200 мл гептаном.

(В) Катализатор получают обработкой суспензии носителя в гептане раствором тетрахлорида ванадия в четырехлористом углероде (24 мл с концентрацией ванадия 0.035 г/мл) при температуре 50°С в течение 1 ч и затем промывают 1 раз 200 мл гептана. Катализатор содержит 2.5 мас.% ванадия и имеет средний размер частиц 18 мкм.

Полимеризацию этилена проводят в стальном реакторе объемом 0.8 л, оборудованном мешалкой и термостатирующей рубашкой. В качестве растворителя для полимеризации используют гептан (250 мл) и сокатализатор Al(i-Bu)₃ с концентрацией 4.8 ммоль/л. Полимеризацию проводят при температуре 80°С, давлении этилена 7.4 бар, давлении водорода 0.5 бар, в течение 2 ч.

Для опыта используют 0.0083 г катализатора, получают 54 г полимера с выходом 6.5 кг/г катализатора или 250 кг/г V. Насыпная плотность порошка ПЭ составляет 360 г/л, а средний размер частиц ПЭ по данным ситового анализа составляет 336 мкм. Порошок ПЭ имеет узкое распределение частиц по размерам, которое характеризуется величиной SPAN=(d₉₀-d₁₀)/d₅₀, где d₉₀, d₁₀ и d₅₀ - размеры частиц ПЭ, соответствующие интегральному содержанию частиц в количестве 90, 50 и 10 мас.% соответственно. Величина SPAN для данного примера составляет 0.7. ПЭ, полученный на этом катализаторе, имеет широкое молекулярно-массовое распределение (соотношение индексов расплава при нагрузке 21.6 и 5 кг (MIR (21.6/5))=19.2).

Результаты полимеризации приведены в таблице.

Пример 2.

Катализатор получают в условиях примера 1, за исключением того, что при синтезе магнийсодержащего носителя используют соотношение ЭБ/Mg=0.2 (мол.). Катализатор содержит 3.1 мас.% ванадия и имеет средний размер частиц 7 мкм. Полимеризацию этилена ведут в условиях примера 1.

Результаты полимеризации приведены в таблице.

Пример 3.

Катализатор получают в условиях примера 1, за исключением того, что при синтезе магнийсодержащего носителя используют дибутилфталат (ДБФ) при соотношении ДБФ/Mg=0.1 (мол.) вместо этилбензоата. Хлорирование МОС фенилтрихлорметаном проводят при температуре 20°С. Катализатор содержит 2.6 мас.% ванадия и имеет размер частиц 6 мкм. Полимеризацию этилена ведут в условиях примера 1.

Результаты полимеризации приведены в таблице.

Пример 4.

Катализатор, полученный в примере 3, используют в сополимеризации этилена с гексеном-1. Сополимеризацию ведут в условиях примера 1, за исключением того, что в начале в качестве сомономера используют гексен-1 с концентрацией гексена-1 0.16 моль/л, затем после наработки каждых 20 г полимера вводят гексен-1 из расчета 0.064 моль/л. Получают сополимер, содержащий 2.1 мол.% бутильных разветвлений.

Результаты полимеризации приведены в таблице.

Пример 5 (сравнительный).

Катализатор получают в условиях примера 1, за исключением того, что в соответствии с прототипом [WO 2005/097322] для взаимодействия PhCCl₃ с магнийорганическим соединением при получении носителя не используют алкилароматический эфир. МОС хлорируют PhCCl₃ при температуре 35°С. Катализатор содержит 3.2 мас.% ванадия и имеет средний размер частиц 30 мкм. Полимеризацию этилена ведут в условиях примера 1, за исключением того, что давление этилена 9 бар. Результаты полимеризации приведены в таблице.

Из представленных примеров и таблицы видно, что использование для синтеза носителя фенилтрихлорметана в сочетании с алкилароматическим эфиром для хлорирования магнийорганического соединения позволяет получать высокоактивные ванадиймагниевые катализаторы для суспензионной полимеризации этилена со средним размером частиц 5-20 мкм при использовании для хлорирования МОС технологичного диапазона температур (≥20°С). При полимеризации этилена на этом катализаторе образуется полиэтилен с высокой насыпной плотностью (более 0.35 г/см³) и узким распределением частиц по размеру. Активность полученных катализаторов превышает 250 кг ПЭ/г V. ПЭ имеет широкое ММР (MFR(21.6/5)=18-21).

Использование для приготовления магнийсодержащего носителя только фенилтрихлорметана в соответствии с прототипом (WO 2005/097322) (сравнительный пример 5) не позволяет достичь поставленной задачи.

Таблица
Условия полимеризации: гептан, [ТИБА]=4.8 ммоль/л, давление водорода 0.5 бар, 80°С, 2 ч
№ примера	Алкилароматический эфир (ААЭ)	(ААЭ)/ Mg (мол.)	T1 1), °С	Содержание V, мас.%	d ср.2) Мкм	РС2Н4,	Выход	ИР(5)3), г/10 мин	MFR4) (21.6/5)	НП5) г/л	SPAN
кг ПЭ/ г кат	$$\frac{КгПЭ}{гV}$$
1	этилбензоат	0.05	25	2.5	18	7.4	6.5	250	1.0	19.2	360	0.7
2	этилбензоат	0.2	25	3.1	7.0	7.4	7.8	252	1.4	18.0	345	0.9
3	дибутилфталат	0.1	20	2.6	6.0	7.4	8.5	327	0.3	19.6	392	0.6
46)	дибутилфталат	0.1	20	2.6	6.0	7.4	9.0	345	1.0	18.0	438	0.5
57)	-	-	35	3.2	30	9.0	4.6	144	0.05	-	280	-
1) температура хлорирования магнийорганического соединения PhCCl3
2) средний размер частиц катализатора
3) индекс расплава ПЭ при нагрузке 5 кг (190°С)
4) соотношение индексов расплава при нагрузках 21.6 и 5 кг
5) насыпная плотность порошка полимера
6) сополимеризация этилена с гексеном-1 (концентрация гексена-1=0.16 М), содержащий 2.1 мол.% бутильных разветвлений
7) сравнительный пример

Способ получения катализатора для полимеризации этилена и сополимеризации этилена с альфа-олефинами, содержащего соединение ванадия на магнийсодержащем носителе, который получают взаимодействием раствора магнийорганического соединения состава Mg(C₆H₅)₂nMgCl₂mR₂O, где: n=0,37-0,7, m=2, R₂O - простой эфир с R=i-Am, n-Bu с хлорирующим агентом фенилтрихлорметаном PhCCl₃ при мольном отношении PhCCl₃/MgR₂≥1,0, с последующей обработкой носителя алкилалюминийхлоридом и нанесением соединения ванадия, отличающийся тем, что в магнийорганическое соединение предварительно вводят алкилароматический эфир при температуре 20-40°С при мольном отношении алкилароматический эфир/Mg=0,05-0,2.